气候系统和全球变暖

nullCh11、气候系统和全球变暖*Ch11、气候系统和全球变暖气候和天气的区别 全球气候系统 古气候气候极其自然变化 人类活动对近代气候变化的影响 海气耦合：厄尔尼诺及南方涛动(ENSO)阅读：Meteorology Today 第18、19章1、气候和天气的区别*1、气候和天气的区别气候和天气的区别主要在于它们的时间尺度.一般来说,天气系统的时间尺度在一个星期左右,而气候的时间尺度在一个月以上。例如,天气预报关心的是气象要素的日变化,而气候学关心的是日平均后的气象状况。 气候的空间尺度则变化很大, 从几十公里到全球范围.例如,一个城市市区内的温度通常比郊区高, 有人把这种空间范围在几十公里的城市特有的气候叫城市气候.有把范围在几百到几千公里的一个区域内的气候称为区域气候。 在这一章,我们主要关心空间尺度可以和地球的尺度相比的气候,也就是全球气候.2、全球气候系统2、全球气候系统通常，我们认为气候变化只与大气运动过程有关。实际上，气候变化还取决于大气中的物理和化学过程，而且还取决于海洋、地面生物化学过程。这些过程构成了一个综合的地球气候系统。 非常重要的一点是，我们所说的气候变化并不仅是温度、湿度和降水等。气候变化与我们所处的环境变化也是联系在一起的，如空气和水污染、植被等自然因素。*2.1、海洋2.1、海洋地球表面的72%是由海洋覆盖的。海洋的最深处可达十几公里，如果把海洋均匀地覆盖在整个地球上，它的厚度可达2.6公里。海水的质量是大气的250倍，热容量大约是大气的2倍。 所以，海洋温度变化对气候变化有着极为显著的影响。*全球海面温度分布并不均匀全球海面温度分布并不均匀*上图：年平均海面温度分布； 下图：上图的海面温度减去纬向平均。 不均匀的海温分布对大气的加热不一样，造成不一样的大气气候。海洋环流极其变化影响全球气候海洋环流极其变化影响全球气候*风驱动的湾流温盐环流2.2、冰雪圈2.2、冰雪圈*冰雪的反照率很高，冰雪覆盖面积的变化对地球接收太阳辐射能量的影响也很大。 冰雪反照率的正反馈：冰雪融化接收太阳辐射增加地面温度升高冰雪融化两极地区的冰川变化两极地区的冰川变化*南极半岛附近的冰川坍塌形成冰山北极格陵兰岛上的冰川坍塌地表植被的变化影响气候地表植被的变化影响气候地表植被与降水和温度的关系： 沙漠：少降水、温度高； 森林和绿地：降水多、温度高 冻土：多降水、温度低 *全球地表植被状况全球地表植被状况*地表对气候的影响：1、水循环（蒸发、蒸腾与降水）； 2、反照率（沙漠化导致地面反照率加大）。3、古气候的自然变化*3、古气候的自然变化从古气候资料来看,地球气候是不断变化的. 相对于地球的历史气候来说,人类存在的2-3百万年里气候是较冷的. 在最近几亿年的大部分时间里,全球气温比现在的气温高出8-15℃.气候自然变化的原因*气候自然变化的原因工业化之前的气候变化是由于自然因素引起的。这些自然因素包括: 地壳板块运动, 地球轨道的变化, CO2和CH4浓度的变化, 火山爆发等引起的大气气溶胶浓度增加, 太阳辐射的变化， 海洋环流变化。寒冷的“冰雪地球”寒冷的“冰雪地球”在地球的历史上曾经历过3个极为寒冷的冰川时期：一个在大约22-24亿年前；另一个在大约6-7.5亿年前，最近的一个在大约2.8亿年前。 在这些寒冷期间，地球表面几乎被冰雪完全覆盖。这主要是由于当时的大陆分布造成的。 这些冰川期之前，大陆主要在中低纬度甚至热带附近，地表被没有冰雪覆盖，地球的反照率很低，地面温度高，降水频繁，大气中的CO2被冲刷下来，所以大气的温室效应较差。 地球开始变冷，冰雪从高纬度向超导延伸，随着地表反照率的增加，地表温度更低，最终形成全球性的大冰川。*但地球是否完全被冰雪覆盖还是一个 争论的热点。因为一旦地球完全被冰 雪覆盖，它将很难被融化开。地壳板块运动*地壳板块运动有人提出大约在1.8亿年前,陆地比今天更集中在赤道,当陆地移向中高纬度时(就像今天的大陆分布),冰川容易在陆地上形成。冰川形成后,地球的反射率增加.地球温度会变冷。寒冷过后的炎热： “热室”或“桑拿室”寒冷过后的炎热： “热室”或“桑拿室”地球被冰封之后，水循环很弱，火山爆发向大气中释放CO2不断地在大气中累积。当CO2在大气中累积到一定程度，温室效应将士的冰川融化。 在冰川被融化之后，由于大气中的CO2不可能马上被冲刷下来，加上水汽的温室效应，大气的温室效非常强，地表温度可达到50 ℃。这种气候称为“热室”或“桑拿室”（Hothouse、Sangna-house）。 地球上的原始生命是如何度过这些极端寒冷和极端炎热的时期的还不太清楚。 *地球历史上的暖期地球历史上的暖期大约6500万年前的恐龙时代（白垩纪，Cretaceous）是地球历史上比较温暖的一个时期，因为大象和一些热带植物的化石在西伯利亚和加拿大都有发现。 该暖期逐渐结束。在大约250万年前，地球开始变冷，人类产生在该冷期。*地球轨道的变化*地球轨道的变化天文学家Milankovitch提出地球轨道的变化会引起地球气候的变化.他认为地球的轨道存在三种变化: 椭圆和接近圆形之间的转换，周期大约为10万年； 地轴倾角的变化地轴倾角的变化2、地轴倾斜角的变化：黄道和赤道交角的变化(22°-24.5°，现在为23.5°)，周期大约为4.1万年; *地球近日和远日点的变化地球近日和远日点的变化3、地球近日点和远日点的变化。现在，在北半球的夏天，地球处于远日点(距太阳较远)，大约1.1万年后，北半球的夏天时，地球将处于近日点，这个变化的周期大约为2.3万年.*三种不同地球轨道周期的叠加三种不同地球轨道周期的叠加地球轨道的这三种变化结合在一起会导致地球接收太阳辐射的周期性变化以及地球气候的周期性变化，这一周期称为“Milankovitch Cycle”.*null*CO2和CH4浓度的变化*CO2和CH4浓度的变化CO2和CH4都是温室气体.它们在大气中的含量直接影响大气的温度.下图显示的是从南极冰芯中获取的温度, CO2和CH4浓度的时间序列曲线.该图表明了大气温度与CO2和CH4浓度是密切相关的. 但是,目前还不清楚这些温室气体和温度变化的因果关系.null在过去的2千万年，地球上的冰川期和暖期的交替基本上是由“Milankovitch Cycle”决定的。 冰芯证据表明，至少最近的80万年，地球的冰川期和暖期的交替是和“Milankovitch Cycle”吻合的。 *火山爆发等引起的大气气溶胶浓度增加*火山爆发等引起的大气气溶胶浓度增加菲律宾火山Pinatubo喷发时的情景. 火山喷发的气体以SO2为主.卫星照片显示的火山Pinatubo噴发三个月后的SO2分布，及随后的全球温度下降*卫星照片显示的火山Pinatubo噴发三个月后的SO2分布，及随后的全球温度下降右上图给出的是火山Pinatubo噴发三个月后的SO2分布。 右下图给出的是硫化物气溶胶反射太阳辐射并导致全球地面降温。Pinatubo噴发后，全球温度下降接近1℃，而且降温持续几年。太阳辐射的变化*太阳辐射的变化太阳黑子是太阳的磁风暴.它的活动具有大约11年的周期.当太阳黑子多时,黑子周围较亮的地方释放更多的能量(黑子本身的温度较低),能量增加大约0.1%.太阳黑子活动周期-很像蝴蝶翅膀。黑子活动向高纬度扩展，间隔变得不明显，强度增加*太阳黑子活动周期-很像蝴蝶翅膀。黑子活动向高纬度扩展，间隔变得不明显，强度增加有人认为太阳辐射的变化会导致地球气候的变化.但到目前为止,还没有这方面的直接证据.有人认为1645-1715年持续性的太阳黑子活动偏弱（Maunder minimum）是造成当时小冰期（Little ice age）的主要原因。*有人认为太阳辐射的变化会导致地球气候的变化.但到目前为止,还没有这方面的直接证据.有人认为1645-1715年持续性的太阳黑子活动偏弱（Maunder minimum）是造成当时小冰期（Little ice age）的主要原因。大洋环流的变化 (thermohaline circulation)*大洋环流的变化 (thermohaline circulation)高盐度的热带海水在风的驱动下自热带向北大西洋运动，并在格陵兰岛附近下沉。这些热的海水为北大西洋沿岸提供暖湿的空气，使得这些地方比同纬度的其它地区较暖。 如果由于某种原因该洋流减弱，至少被大西洋沿岸将会变冷。现有的数值模拟表明，洋流减弱可导致整个北半球持续数百年的变冷。全球大洋环流10000-12000年前的 “新仙女木”事件*10000-12000年前的 “新仙女木”事件大约10000-12000年前，北大西洋环流突然减弱，导致北欧和附近地区变冷，且寒冷持续几百年。因为这次变冷事件是从欧洲地区“新仙女木”化石增多发现的，所以，称为“新仙女木”事件。 “新仙女木”（Younger-Dryas）是1种极地寒冷气候下生长的植物，它在 欧洲地区的增多，意味着欧洲地区曾经寒冷过。冰清玉洁的Younger-Dryas*冰清玉洁的Younger-Dryas公元2000年前的一次北大西洋环流减弱导致当时的全球文明衰落？*公元2000年前的一次北大西洋环流减弱导致当时的全球文明衰落？气候模式给出的4000年前大洋环流减弱后的海面温度变化和陆面温度变化。 左图：北大西洋变冷，南大西洋变暖；右图：欧亚大陆的大部分地区变冷。图片来自王绍武气候模式给出的4000年前大洋环流减弱后的欧亚非大陆降水变化*气候模式给出的4000年前大洋环流减弱后的欧亚非大陆降水变化四大文明和它们河流的发源地均干旱（红色）。 图片来自王绍武5、人类对气候变化的影响*5、人类对气候变化的影响由于工业化的发展,人类活动对气候的影响力变得越来越大. 从前面的图中,我们已发现全球气温在最近二三十年增加得很快. 科学界担心并争论这几十年的增温是否是由于人类活动造成的。 人类活动造成的温室气体主要包括: CO2、CH4、O3、N2O、CFCs等。右图所示的是这些温室气体对全球变暖的分别贡献。CO2 Emission Per Person*CO2 Emission Per Person最近1千年的温度变化*最近1千年的温度变化相对于最近一千年的气温,近一百年(也就是工业革命以来)的气温偏高.工业化以来的温度变化*工业化以来的温度变化工业化以来全球平均温度呈上升趋势。 七十年代末以来,全球气温明显增加.(1) 人类活动导致CO2增加*(1) 人类活动导致CO2增加工业化前,大约是 280 ppmv parts per million by volume. 现在是 370 ppmv. 21st 世纪末, 可能是 490 to 1260 ppmv.(2) CH4增加*(2) CH4增加气候模式模拟的CO2增加一倍后全球温度平均增加2-3℃*气候模式模拟的CO2增加一倍后全球温度平均增加2-3℃全球气候模式给出的温度随CO2上升的趋势*全球气候模式给出的温度随CO2上升的趋势 右图显示的是气候模式给出的未来100年气温随CO2浓度变化的结果,如果人类释放的CO2浓度是按今天的速度增加的.温室气体导致地面温度升高,气溶胶导致地面气温降低.*温室气体导致地面温度升高,气溶胶导致地面气温降低.人类活动不仅导致CO2浓度增加,同时也导致气溶胶的浓度增加,例如汽车排放的尾气,燃煤产生的硫化物等.下图给出的是气候模式的结果. 单独CO2增加造成的升温(黄线)比CO2和气溶胶一起造成(蓝线)的升温要快得多.南极上空的臭氧洞*南极上空的臭氧洞人类使用的制冷剂碳氯化合物(chlorofluorocarbons, CFCs)是一种非常稳定的物质.当它被输送到平流层极地后,在太阳紫外线的作用下分解出氯原子,氯原子与臭氧发生化学反应导致臭氧的减少.有证据表明CFCs是促使臭氧洞形成的催化剂. 当平流层臭氧减少,更多的太阳紫外辐射会到达地面,强紫外辐射将危害地面的生命. 但到目前为止,还没有充分的证据表明平流层臭氧减少是怎样影响地面气候的.观测的近百年来地表温度变化观测的近百年来地表温度变化*气候模式模拟的地表温度变化 1970-2100气候模式模拟的地表温度变化 1970-2100*全球变暖: 北极海冰和南极冰盖融化*全球变暖: 北极海冰和南极冰盖融化动画显示模拟的1955-2055年北冰洋海冰由于温室气体增加而减少的情况*动画显示模拟的1955-2055年北冰洋海冰由于温室气体增加而减少的情况显示模拟的当CO2增加1倍和3倍时全球温度的变化*显示模拟的当CO2增加1倍和3倍时全球温度的变化我们能不能减缓全球变暖?*我们能不能减缓全球变暖?6、风驱动的海洋环流*6、风驱动的海洋环流当风吹向洋面时,风的作用力将驱动海水运动。 由于海水的摩擦力远较空气的摩擦力大,海水的运动速度较空气的速度小。 又由于科氏力的作用,海水的运动方向指向空气运动方向右前方.平均来说,海水的运动反向和空气的运动方向呈45o的夹角。风驱动的水平海洋环流*风驱动的水平海洋环流风驱动的海水运动不仅在水平方向，也在垂直方向。 在水平方向上的著名洋流有墨西哥湾流(Gulf Stream)和黑潮(Kuroshio)。著名的墨西哥湾流*著名的墨西哥湾流卫星观测到的北大西洋海水温度。 一个强的高温海流沿美国东海岸北上,把热带温暖的海水带向北大西洋.风驱动的海水垂直运动*风驱动的海水垂直运动靠近海岸的地方,当表面的海水被风吹走后,下面的海水向上运动来补充表层被吹走的海水,这是海水上翻运动. 因为下层的海水温度较低,在海水上翻的地方,海表面的温度通常较低.7. 厄尔尼诺和南方涛动*7. 厄尔尼诺和南方涛动让我们回忆前面讲到的热带信风(也就是赤道北边的东北风和赤道南方的东南风).这样的风向在东太平洋沿岸造成向西的海水离岸和上翻运动.所以,在东太平洋沿岸的海水较冷. 信风把温暖的海水吹向西太平洋,观测表明热带西太平洋的海水较同纬度东太平洋的海水温度高. 较高的海水温度导致较强的空气上升运动,而东太平洋热带较冷的洋面对应下沉的空气运动.这样一来,便在热带大气中形成了纬向环流,也就是所谓的沃克环流(Walker circulation). 在南美洲太平洋沿岸(尤其是秘鲁沿岸),上升运动把含丰富营养的海水带到海面,丰富的营养导致鱼类和鸟类的大量繁殖.但是,每年圣诞节前后,信风减弱,赤道附近的含营养差的暖海水向南流动并取代秘鲁沿岸的冷水,从而导致鱼类和鸟类的大量死亡.当地人把这一现象称为El Nino.在西班牙语里，El Nino是男孩(boy child)的意思，人们把这一现象称为圣诞男孩(Christ child).厄尔尼诺和南方涛动*厄尔尼诺和南方涛动这种秘鲁沿岸海水在每年圣诞节前后变暖通常只持续一个月左右.之后,海水变冷,鱼类繁殖恢复正常.可是,每隔2-7年,这种海水变暖的现象便会非常地强,持续时间也1-2年,覆盖的面积也非常大.现在,人们通常把这种南美洲东太平洋沿岸强的海水变暖现象称为厄尔尼诺(El Niño). 与El Niño相反的情况是异常强劲的信风把暖的海水吹向西太平洋,这样一来,暖的海水主要集中在西太平洋,中部和东太平洋 的表面海水较冷.人们把这种现象称为拉尼娜(La Niña)(在西班牙语中, La Niña是女孩的意思). 在El Niño期间,东太平洋上空的空气较同常的轻,而西太平洋上空的空气较通常情况下的空气重.所以,东太平洋的海平面气压较通常的低,而西太平洋的海平面气压较通常的高.这种东西太平洋海平面气压每隔几年的交互变化的现象被称为南方涛动(Southern Oscillation). 人们通常把厄尔尼诺和南方涛动一起简称为ENSO. El Niño, La Niña和正常情况下的海面温度、大气、海洋的环流状况*El Niño, La Niña和正常情况下的海面温度、大气、海洋的环流状况正常年的海水温度和环流*正常年的海水温度和环流正常年份，东太平洋的海水温度22℃，西太平洋的海水温度25℃El Niño年海温和海洋大气环流*El Niño年海温和海洋大气环流东太平洋和中太平洋偏暖,降水偏多La Niña年*La Niña年东太平洋和中太平洋偏冷,降水偏少。El Niño 和 La Niña年的海水温度*El Niño 和 La Niña年的海水温度动画显示的南方涛动 （热带太平洋海水变化）*动画显示的南方涛动 （热带太平洋海水变化）动画显示的南方涛动 （热带太平洋海平面气压变化）*动画显示的南方涛动 （热带太平洋海平面气压变化）历史上的El Niño 和 La Niña *历史上的El Niño 和 La Niña El Niño 年和 La Niña 年*El Niño 年和 La Niña 年El Niño Years 1902-1903 1905-1906 1911-1912 1914-1915 1918-1919 1923-1924 1925-1926 1930-1931 1932-1933 1939-1940 1941-1942 1951-1952 1953-1954 1957-1958 1965-1966 1969-1970 1972-1973 1976-1977 1982-1983 1986-1987 1991-1992 1994-1995 1997-1998La Niña Years 1904-1905 1909-1910 1910-1911 1915-1916 1917-1918 1924-1925 1928-1929 1938-1939 1950-1951 1955-1956 1956-1957 1964-1965 1970-1971 1971-1972 1973-1974 1975-1976 1988-1989 1995-1996 ENSO的影响: (1)渔业*ENSO的影响: (1)渔业在El Niño年,鱼类和鸟大量死亡ENSO对全球的降水和温度影响*ENSO对全球的降水和温度影响ENSO伴随着沃克(Walker)环流的变化. 在El Niño期间,因东太平洋海水较暖,沃克环流减弱,也就是说西太平洋上升减弱,而东太平洋则易于发生上升运动.因此,西太平洋区域产生干旱,而东太平洋地区易于产生降水和洪涝. 相反,在La Niña 期间,太平洋东部和中部偏冷,西太平洋海水较暖,沃克环流加强,也就是说西太平洋上升加强,而东太平洋的下沉运动加强.因此,西太平洋区域产生降水和洪涝,而东太平洋地区则较干旱. ENSO 的影响: (2)西太平洋干旱,东太平洋洪涝*ENSO 的影响: (2)西太平洋干旱,东太平洋洪涝印度尼西亚的森林大火ENSO 的影响: (2)西太平洋干旱,东太平洋洪涝*ENSO 的影响: (2)西太平洋干旱,东太平洋洪涝南部非洲干旱(1982)Ecuador (1982)洪水作业：*作业：相对于地球的历史气候来说,我们现在所处的气候是处于暖期或冷期? 导致气候自然变化的因素有哪些? 为什么我们关心人类活动对全球气候的影响？人类活动的哪些因素会加速全球变暖趋势？那些视气候变冷？总的趋势是什么？请说明理由。 地球轨道的3种变化对地球接受太阳能量的影响分别是什么？哪些影响全球能量平衡？导致的仅导致季节变化？ 什么是ENSO、El Nino和La Nina? 简述正常状态时、El Nino和La Nina发生热带太平洋地区的海洋大气状态。思考：*思考：为什么热带大西洋不存在ENSO? 地球是否完全被完全冰封过？阅读“关于冰雪地球的研究进展”（已放在网上）。